Search for gluon saturation in proton-lead collisions at a centre-of-mass energy of 5.02 TeV with the very forward CASTOR calorimeter at the CMS experiment

Datum: 9 maart 2018

Locatie: Stadscampus, Promotiezaal van de Grauwzusters - Lange Sint-Annastraat 7 - 2000 Antwerpen (route: UAntwerpen, Stadscampus)

Tijdstip: 16 uur

Promovendus: Merijn van de Klundert

Promotor: Pierre Van Mechelen

Korte beschrijving: Doctoraatsverdediging Merijn van de Klundert - Faculteit Wetenschappen, Departement Fysica



Abstract

De kern van een waterstof atoom bestaat uit een proton. Een proton bestaat zelf uit quarks en gluonen. In een botsingsexperiment draagt ieder quark en gluon een fractie x van het momentum van het proton.

Eerdere experimenten leerden dat het aantal gluonen sterk toeneemt naarmate x kleiner wordt. Daarom verwacht men dat in bepaalde kinematische regimes de dichtheid van gluonen zeer hoog wordt. De centrale hypothese van dit onderzoek is of onder deze kinematische condities recombinatie reacties optreden, waarbij twee gluonen recombineren tot een gluon. Dit zou moeten leiden tot een saturatie (verzadiging) van het aantal gluonen in het proton.

Gluon saturatie is reeds decennia onderzocht. Verschillende analyses van experimentele data vonden aanwijzingen voor saturatie, maar eenduidige conclusies waren niet mogelijk aangezien er ook alternatieve verklaringen voor de metingen bestonden.
Men verwacht dat de effecten van gluon saturatie sterker zijn in de kern van een zwaar atoom (bijvoorbeeld lood). Een dergelijke kern wordt een zwaar ion genoemd. Verder vormen voorwaartse jets een sensitieve observabele voor saturatie effecten.

Het CMS experiment bij de CERN Large Hadron Collider verzamelde data van onder andere proton-lood botsingen bij ongeëvenaarde energieën. CMS is uitgerust met de CASTOR calorimeter. CASTOR kan jets meten in een uniek deel van de voorwaartse fase-ruimte; geen enkel ander LHC experiment is toegerust voor een dergelijke meting. Daarom vormen jets in CASTOR in proton-lood botsingen een observable die potentieel zeer gevoelig is voor effecten van gluon saturatie. Een dergelijke meting kan bovendien de problemen overkomen die de interpretatie van eerdere metingen vertroebelden.

Hiertoe analyseren we het voorwaartse jet energie spectrum in CASTOR in proton-lead botsingen bij een massa-middelpunts energie van 5.02 TeV per proton-proton (of proton-neutron) paar. We tonen aan dat de voorspellingen van twee modellen voor de voorwaartse jets inderdaad zeer gevoeligheid zijn voor saturatie effecten. Geen van deze modellen kan alle aspecten van de data beschrijven, en beide modellen onderschatten de data met een orde van grootte in het gebied waar de saturatie effecten het sterkst zijn. Een model gebaseerd op alternatieve aannames kan het deel van de data dat het meest gevoelig is voor saturatie effecten echter goed beschrijven.

We concluderen dan ook, dat of de modellen de saturatie effecten niet goed beschrijven, of dat gluon saturatie in deze fase ruimte niet door de Natuur gegenereerd wordt.

Een paper over de resultaten en conclusies wordt momenteel voorbereid ter publicatie in JHEP (Journal of High Energy Physics)
Lees de preliminaire resultaten
Een paper over het functioneren van de CASTOR calorimeter is in een vergevorderd stadium voor publicatie in JINST (Journal of Instrumentation)

 



Link: http://www.uantwerpen.be/wetenschappen